不同增强类型和厚度、在高压釜中固化的碳纤维复合材料的力学性能表征

《Hybrid Advances》：Mechanical characterization of carbon fiber composite materials with different reinforcement and thickness cured in autoclave

碳纤维复合材料层压板的纤维架构和面积重量对其拉伸性能的影响研究。实验采用单向（UD）和双向（0/90）碳纤维增强聚合物材料，通过热压罐工艺（130°C，6 bar）制备样品，测试结果显示UD层压板具有最高强度（4734 MPa）和模量（235 GPa），而双向层压板（GG630T）强度为856 MPa，模量41 GPa，但断裂应变更高（2.62%）。分析表明，单向结构优化了纵向承载能力，而双向结构通过更均匀的应力分布提高了韧性和多轴稳定性。数据具有良好统计一致性，验证了工艺参数对性能的影响。

　　本研究探讨了纤维架构和层压材料面积重量对真空固化碳纤维增强复合材料（CFRP）层压板拉伸性能的影响。研究使用了高强单向（UD）预浸料（150 g/m2）以及两种织物：平纹（200 g/m2）和2×2斜纹（630 g/m2）。所有材料均在130°C和6 bar的条件下共同固化。拉伸测试依据ISO 527-5标准对UD材料进行，依据ISO 527-4标准对织物层压板进行。每种条件测试了六组样品。研究记录了材料的变异性、正态分布以及失效模式。

UD层压板表现出最高的极限强度（4,734 MPa）、模量（235 GPa）和断裂应变（2.01%）。而630 g/m2的斜纹层压板具有较低的极限强度（856 MPa）和模量（41 GPa），但断裂应变稍高（2.62%）。200 g/m2的平纹层压板的极限强度（530 MPa）和模量（38 GPa）介于两者之间，断裂应变为1.31%。因此，0°纤维对齐显著影响拉伸性能。UD材料在强度和刚度方面表现最佳，而0/90编织则通过牺牲部分强度和模量，换取更高的延展性。在织物中，更重的2×2斜纹优于较轻的平纹。与以往混淆树脂系统或固化周期的比较不同，本研究提供了一个统一的基准，将纤维架构和面积重量与强度、刚度和断裂变形联系起来。结果具有统计意义，且失效模式被详细记录。这些发现将指导在航空航天和汽车行业中，选择单向（UD）与编织层压板用于轻质、拉伸、承重部件。

复合材料的概念可以追溯到古代文明，当时人们利用金属和非金属材料构建复杂的层压结构，为现代复合材料奠定了基础。21世纪初，聚合物基复合材料的出现标志着材料科学的范式转变，这类材料能够将质量与性能解耦，展现出巨大的应用潜力。特别是碳纤维增强复合材料（CFRPs），其强度与重量比比最先进的铝合金高一个数量级，同时具备良好的尺寸稳定性和耐腐蚀性，使其在相关领域独树一帜。

本研究重点分析了CFRPs的拉伸性能，并探讨了树脂类型、纤维取向和层压厚度对机械性能的影响。通过数学建模与实验方法相结合，研究对三种航空预浸料进行了评估：一种单向高模量带（UD HSC）和两种双向织物（GG200P与GG630T）。此前的研究中，CFRPs的性能常常受到树脂系统、固化时间安排和层压结构的影响，使得纤维架构和面积重量的独立效应难以辨别。本研究通过在相同的真空固化循环下制造UD 0°和0/90平纹/斜纹层压板，按照ISO 527标准测试六次，并记录平均值、标准差和正态性/分散性指标，从而揭示了纤维架构和面积重量如何共同影响极限强度、模量和断裂应变，同时在相同的边界条件下记录了失效模式。

实验数据表明，UD-HSC单向带的平均拉伸强度为4734.51 MPa，模量为235.44 GPa，断裂应变为2.01%。相比之下，GG200P平纹织物的平均拉伸强度为529.58 MPa，模量为38.22 GPa，断裂应变为1.31%。GG630T斜纹织物的平均拉伸强度为855.91 MPa，模量为40.99 GPa，断裂应变为2.62%。这些数据表明，UD材料在极限强度和模量方面远超其他两种材料，而斜纹材料则在延展性上表现出优势。

研究还指出，不同材料的失效模式各异。GG200P平纹织物表现出LAT（在夹具区域横向断裂）的失效特征，这种断裂较为局部且较为清洁，表明其具有脆性失效机制。GG630T斜纹织物的失效模式包括LMV/AGM/LGM（在夹具/中段区域横向/斜向断裂），其断裂面呈现出纤维散乱的迹象，表明其具有一定的能量吸收能力。然而，这种断裂仍属于脆性材料的特征，显示出较少的塑性变形。而UD-HSC单向带的失效模式为MGM/MGV（在夹具/体积区域中段断裂），其纤维在纵向轴（0°）上发生断裂，形成纤维束的撕裂现象。这种断裂方式在UD材料中较为常见，表明其在受力时主要依赖纤维的承载能力。

通过比较不同材料的断裂应变和模量，研究揭示了纤维架构和面积重量对材料性能的共同影响。2×2斜纹织物由于其更高的面积重量和厚度，表现出更高的模量和断裂应变，相较于较轻的平纹织物。这种性能差异主要归因于斜纹织物中更高的纤维密度和更紧凑的结构，使得其在承载能力上有所提升。然而，由于其纤维取向较为分散，因此延展性相对较低。相反，UD材料由于其纤维沿拉伸方向对齐，展现出更高的刚度和强度，但延展性相对较低。这种特性使得UD材料在需要高纵向刚度的结构中更为适用，而斜纹材料则在多轴载荷应用中表现更优。

材料的厚度与纤维架构密切相关。在本研究中，厚度随纤维束大小、编织结构和层数变化而变化。对于2×2斜纹织物，较少的层数（4层）和更高的纤维密度降低了层间界面的数量，从而延迟了分层的出现。此外，更好的纤维嵌套和压缩作用降低了纤维交叉处的局部应力集中，进一步提高了材料的承载能力。在UD层压板中，厚度的增加主要提升了承载能力，但对基于应力的性能（如极限强度和模量）影响较小，因为失效主要由纤维断裂决定，而非层间损伤。

统计分析显示，所有材料的拉伸性能数据均符合正态分布，且具有较低的变异系数，表明实验数据的可靠性和一致性。在不同材料中，GG200P表现出最高的变异系数（4.04%），而UD-HSC的变异系数最低（0.71%），说明其性能稳定性更高。这些结果表明，材料的制造工艺对性能具有重要影响，尤其是在控制纤维与基体之间的结合质量方面。

本研究的实验结果为设计者提供了关键参考，帮助他们在不同的应用场景中选择合适的材料。UD-HSC由于其高刚度和强度，适用于对纵向刚度要求较高的航空和赛车部件。而GG630T斜纹织物则在需要兼顾刚度和延展性的结构中更具优势，例如汽车结构。GG200P平纹织物则适用于需要能量吸收的次级结构。此外，真空固化工艺在减少内部缺陷和稳定性能方面发挥了重要作用，其低变异系数表明该工艺能够有效控制材料质量。

本研究还指出了未来研究的方向。例如，可以进一步量化开孔拉伸/压缩和压缩后冲击（CAI）测试，以评估分层和损伤耐受性。此外，可以通过制造相同编织结构但不同层数和纤维束大小的样品，分离厚度与面积重量的影响。利用数字图像相关（DIC）技术映射应变场，有助于识别纤维直化和剪切热点。疲劳和蠕变响应测试可以进一步揭示材料的长期性能。同时，评估热湿环境下的耐久性以及通过CT和断口分析将纤维皱褶和空隙与失效机制相关联，也是未来研究的重要方向。此外，建立微力学/有限元模型，将纤维架构与应力传递联系起来，以及比较真空固化与非真空固化工艺，还有探索混合铺层（UD/斜纹）以优化混合载荷下的承载路径，都是值得深入研究的领域。